【文章內(nèi)容簡介】 注 金屬絲式片 金屬絲 ＜ 1000 ~ 小 簡易 使用方便、價(jià)廉，溫度系數(shù)和 K值一致性好，可用很 長的絲，疲勞壽命長，能承受較大變形，能用多種合金材料金屬 金屬箔片式 金屬箔 ＜ 2021 ~ 很小 簡易 形狀任意，能制于各種基片上，阻值一致性好， K值溫度系數(shù)好，橫向效應(yīng)好 金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種，圖 所示為回線式應(yīng)變片。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 40 頁 圖 回線式應(yīng)變片 它的敏感柵材料直徑在 ～ 之間，以 左右為最常用 ,回線的曲率半徑 r 為 ～ ，基片用厚度為 左右的 薄紙（稱紙基），或用粘結(jié)劑和有機(jī)樹脂基膜制成（稱膠基），粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形。引線多用 ～ 直徑的鍍錫銅線與敏感柵相接。因制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，所以最為常用。但因彎曲部的變形使其橫向效應(yīng)較大 [7]。 所有電阻片中，絲式片屬最基本的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也是傳感器中常用的品種，其生產(chǎn)和使用歷史較長。絲材加工及處理技術(shù)比較成熟，靈敏系數(shù)比較一致，溫度系數(shù)可選擇適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞旨盁崽幚磉M(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可達(dá)到自補(bǔ)償。但直徑不能過細(xì)，否則會(huì)要限制使用電壓。 箔式片的絲柵尺寸小 ，形狀任意、柔軟、橫向效應(yīng)小，容許電流大，疲勞壽命高，蠕變及滯后好，應(yīng)用日益增多，早期獲得均勻的箔材比較困難，但目前已是應(yīng)變式傳感器中使用的主要品種。箔式片所用箔材，一般厚為 3～ 5 微米，常用銅鎳合金（如康銅），但近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)變片用箔材也發(fā)展成為系列。制作方法除開光化學(xué)腐蝕外，也可采用精密沖壓法，沖壓法與腐蝕法比較，柵條無毛刺，性能比較一致。我國由于原材料（箔材性能尚不完全過關(guān)）和工藝（箔式片不易粘貼，焊點(diǎn)容易脫落等）關(guān)系，目前絲式片、尤其是高溫和低溫片，仍占主要地位 [8]。 （ 1）制造技術(shù)能保證 敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，可以制成任意形狀以適應(yīng)不同的測量要求； （ 2）敏感柵截面為矩形，其表面積對(duì)截面積之比遠(yuǎn)較圓斷面的為大，故粘合中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 40 頁 面積大； （ 3）敏感柵薄而寬，粘結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好； （ 4）散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而增大輸出信號(hào)； （ 5）敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略； （ 6）蠕變、機(jī)械滯后較小，疲勞壽命高。 薄膜片是目前高精度傳感器中很有前途的新型電阻片（國外稱之為無蠕變工藝）。其原理，雖早在五十年代初就有人提出過，但遇到多方面的工藝?yán)щy，制成的薄膜穩(wěn)定性差無法實(shí)用 ，直到最近十余年才有所突破。目前，對(duì)于金屬薄膜片而言，比較成熟的方法有兩種：一是真空蒸發(fā)，二是濺射式陰極擴(kuò)散。由于濺射的分子具有很大的能量，不能蒸發(fā)只凝結(jié)在表面，故附著力強(qiáng)，膜的性能好 [9]。為了沉積基底絕緣材料，進(jìn)一步改善濺射過程，需采用高頻濺射系統(tǒng)，這種片的優(yōu)點(diǎn)是：阻值比箔式高，形狀和尺寸也比箔式片更小更精確，沒有箔式片腐蝕所引入的疵??；制成的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱良好，對(duì)于較寬的工作溫度范圍也可達(dá)到較完善的補(bǔ)償。尤其突出的是：陶瓷絕緣代替了膠接，既避免了復(fù)雜的分選和粘貼技術(shù)，而且對(duì)膠所引入 的漂移、疲勞等弱點(diǎn)都有很 大的克服。制成的傳感器可以達(dá)到較高的水平。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的所謂“壓阻效應(yīng)”。所有材料在某種程度都呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體的這種效應(yīng)特別顯著，能直接反映出很微小的應(yīng)變。常用的半導(dǎo)體應(yīng)變片系用鍺和硅等半導(dǎo)體材料作為敏感柵，一般為單根狀，根據(jù)壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體和金屬絲一樣可以把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 電阻應(yīng)變片的材料 制造應(yīng)變片時(shí)，對(duì)敏感柵材料的要求：①靈敏系數(shù) sK 和電阻率 ? 要盡可能高而穩(wěn)定，電阻變化率 RR? 與機(jī)械應(yīng)變 ? 之間 應(yīng)具有良好而寬廣的線性關(guān)系，既要求 sK 在很大范圍內(nèi)為常數(shù)；②電阻溫度系數(shù)小，電阻 溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好；③機(jī)械強(qiáng)度高，碾壓及焊接性能好，與其他金屬之間接觸熱電勢?。虎芸寡趸?、中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 40 頁 耐腐蝕性能強(qiáng)，無明顯機(jī)械滯后 [10]。 此外，制作應(yīng)變片敏感柵常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、 貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，材料性能見表 所示。 表 常用應(yīng)變電阻絲材 康 銅 鎳鉻錳硅 鎳鉻 電阻率（ mmm2?? ） ~ ~ 1~ 電阻溫度系數(shù)（ C?1 ） ? 20? 166? ? 10? 106? ? 110? 106? 靈敏系數(shù) k 2? ~ ~ 與銅焊接性 好 較好 較好 抗拉強(qiáng)度（2mmkg） ~ 110~140 應(yīng)變片基底材料有紙和聚合物兩大類，紙基逐漸被膠基（有機(jī)聚合物）取代，因?yàn)槟z基各方面性能都好于紙基。膠基是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚約 。 對(duì)基底材料性能有如下要求：①機(jī)械強(qiáng)度好，撓性好；②粘貼性能好；③電絕緣性能好；④熱穩(wěn)定性和抗?jié)裥院?；⑤無滯后和蠕變。 康銅絲敏感柵應(yīng)變片，引線系采用直徑為 的銀銅絲，采用點(diǎn)焊焊接。其他類型敏感柵，多采用直徑與上述相對(duì)的鉻鎳、鐵鉻鋁金屬絲或偏帶作為引線。與敏感柵點(diǎn)焊相接。 金屬應(yīng)變片的主要特性 材 料 性 能 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 40 頁 靈敏系數(shù)是指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向 ?RRk ?? （ ) 應(yīng)變片的電阻 R 的應(yīng)變特性與金屬絲不同，因此必須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 進(jìn)行測定。測定時(shí)必須按規(guī)定的標(biāo) 準(zhǔn)，例如受軸向單向力（拉或壓），試件材料泊松系數(shù)為 ? = 的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣 5％的產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值作為該批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，又稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。實(shí)驗(yàn)表明，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù) k 值恒小于電阻絲的靈敏系數(shù) 0k ，其原因除了粘結(jié)層傳遞變形失真外，還存在有橫向效應(yīng)。 如圖 所示，當(dāng)應(yīng)變波為階躍波時(shí)，由于應(yīng)變波通過敏感柵全部長度需要時(shí)間，所以應(yīng) 變片所反映的波形經(jīng)過一定時(shí)間延時(shí)，才能達(dá)到最大值。 圖 應(yīng)變片的橫向效應(yīng) 粘貼在受單向拉伸力試件上的應(yīng)變片，如圖 所示，其敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成。這時(shí)，各直線段上的金屬絲只感受沿軸向拉應(yīng)變 x? ，電阻值將增加，但在圓弧段上，沿各微段軸向（即微段圓弧的切向）的應(yīng)變卻并非是 x? ，因此與直線段上同樣長度的各段所產(chǎn)生的電阻變化就不相同，最明顯的是在 2??? 處中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 共 40 頁 微圓弧段上，按 泊松系數(shù)的關(guān)系，在垂直方向上產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)變 y? ，因此該段的電阻是減小的。而在圓弧的其它各段上，其軸向感受的應(yīng)變由 + x? 變化到 y? 。由此可見，將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。應(yīng)變片橫向效應(yīng)表明，當(dāng)實(shí)際使用應(yīng)變片時(shí)，使用條件與標(biāo)定靈敏系數(shù) k 時(shí)的標(biāo)定規(guī)則不同時(shí)，例如， ? ≠ 或受非單向應(yīng)力狀態(tài)、以及橫向效應(yīng)的影響，實(shí)際 k 值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測量誤差。當(dāng)不能滿足測量精度要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的修正。為了減少橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測量誤差，一般多采用箔式應(yīng)變片，其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多，電阻值較小，因而電阻變化量也就小得多。 應(yīng)變片安裝在試件上以后，在一定溫度下，其 ??? )( RR 的加載特性與卸載特性不重合， 圖 應(yīng)變片的機(jī)械滯后 如圖 所示，在同一機(jī)械應(yīng)變值 g? 下，其對(duì)應(yīng)的 RR? 值不一致。加載特性曲線與卸載特性曲線的最大差值稱應(yīng)變片的滯后。產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因，主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的，為了減小滯后，除選用合適的粘合劑外，最好在新安裝應(yīng)變片后，做三次以上的加卸載循環(huán)后再正式測量。 粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零漂。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 40 頁 如果在一 定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量變化的方向相反。這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性，在長時(shí)間測量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中即包含零漂，因?yàn)榱闫窃诓患虞d的情況，它是加載情況的特例。 應(yīng)變片在制造過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、絲材、粘合劑、基底等的變化是造成應(yīng)變片零漂和蠕變的因素。 （ 1）應(yīng)變極限 應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變 i? 對(duì)測試值的真 實(shí)應(yīng)變 g? 的相對(duì)誤差不超過規(guī)定范圍（一般為 10％）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值 j? 。 圖 粘貼劑和基底材料 圖示 為提高 j? 值，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料，基底和粘結(jié)劑的厚度不宜太大，并經(jīng)適當(dāng)?shù)墓袒幚怼? （ 2）疲勞壽命：疲勞壽命反映了應(yīng)變片對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量的適應(yīng)性，對(duì)于已安裝好的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù) N 稱為應(yīng) 變片的疲勞壽命。當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一時(shí)，都認(rèn)為是疲勞損壞：①應(yīng)變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路；②應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的幅值變化 10％；③應(yīng)變片輸出信號(hào)波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。 最大工作電流是指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。工作電流大，應(yīng)變片輸出信號(hào)大，靈敏度高。但過大的工作電流會(huì)使應(yīng)變片本身過熱，使靈中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17 頁 共 40 頁 敏系數(shù)變化，零漂、蠕變?cè)黾?，甚至把?yīng)變片燒毀。工作電流的選取，要根據(jù)散熱條件而定，主要取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸、截面的形狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散熱性能 等。通常允許電流值在靜態(tài)測量時(shí)約取 25mA 左右，動(dòng)態(tài)時(shí)可高一些，箔式應(yīng)變片可取更大一些。對(duì)于導(dǎo)熱性能差的試件，例如塑料、陶瓷、玻璃等，工作電流要取小些。 R 應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值，是使用應(yīng)變片時(shí)需知道的一個(gè)特性參數(shù)。目前常用的電阻系列，習(xí)慣上為 60、 1 200、 350、500、 1000Ω，其中以 120Ω最常用。取電阻值大，可以加大應(yīng)變片承受電壓，因此輸出信號(hào)大，但敏感柵尺寸也增大。 電阻應(yīng)變片在測量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)考慮其動(dòng) 態(tài)響應(yīng)特性。因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)測量時(shí)，應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式在材料中傳播，它的傳播速度與聲波相同，對(duì)于鋼材 v≈ 5000m/S， 當(dāng)應(yīng)變按正弦規(guī)律變化時(shí)，應(yīng)變片反映出來的是應(yīng)變片敏感柵長度各相應(yīng)點(diǎn)應(yīng)變量的平均值，顯然不能以某一“點(diǎn)”的應(yīng)變值來表示。設(shè)應(yīng)變的變化為 ft??? 2sin0? ，應(yīng)變?cè)谠嚰休S向傳播，有 vtx? ， tv ?? ，所以txt ?? ，代入應(yīng)變表達(dá)式，則應(yīng)為 txf ???? 2sin0? 。圖 給出了應(yīng)變波與應(yīng)變片在波最大幅值的瞬時(shí)情況。 圖 應(yīng)變波與應(yīng)變片在波最大幅值的瞬時(shí)情況 應(yīng)變波長為 ? ，應(yīng)變片的基長為 I ，其兩端點(diǎn)的坐標(biāo)為 )2()4(1 lx ?? ? ，中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 18 頁 共 40 頁 )2()(2 llx ?? ? ,此時(shí)應(yīng)變片在基長 I 內(nèi)測得的平均應(yīng)變 0? 達(dá)到最大值為 ???????????????? s i n)2c o s2( c o s22s i n012021021 ?????? ? xxxxx d xxxp （ ） 因而應(yīng)變波幅測量的相對(duì)誤差 r 為 lr p ???? ????? ?? s in00 （ ） 由上式可見，測量誤差 r 與應(yīng)變波長對(duì)基長的相對(duì)比值 I? 有關(guān)，一般可取 I?＝ 10～ 20，其誤差 r 小于 ～ ％，根據(jù)上式，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量時(shí)的誤差計(jì)算或選擇應(yīng)變片柵長以滿足某種頻率范圍內(nèi)的誤差要求。表 v＝ 5000m/s，取不同基長 I? ＝ 20 時(shí)，不同基長的應(yīng)變片的最高工作頻率。 表 不同應(yīng)變片基的最高工作頻率 應(yīng)變片基長l(mm) 1 2 3 5 10 15 20 最高工作頻率f(kHz) 250 125 50 25 應(yīng)變片的理論和實(shí)際輸出波形如圖 所示，如以輸出從 10％上升到 90％的這 段 時(shí)間 作為 上升 時(shí)間 kt ，則 kt = vI ， 可 測頻 率 f ＝ ，則lvlvf ?? 。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁 共 40